Камертоном называется инструмент, издающий при ударе звук, являющийся эталоном высоты. С точки зрения преобразователей энергии, камертон можно назвать преобразователем механической энергии в механическую.

Человеческое ухо слышит звук, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц, но не выше 20 000 Гц. Таким образом, звук обуславливается механическими колебаниями в упругих средах и телах (твёрдых, жидких и газообразных), частоты которых лежат в диапазоне от 16Гц до 10кГц, и которые способно воспринимать человеческое ухо. Соответственно этому механические колебания с указанными частотами называются звуковыми или акустическими.

Музыкальным тоном называется звук, соответствующий гармоническим колебаниям среды, действующей на слуховой аппарат. Именно такого вида колебания и порождает камертон. Рассмотрим подробнее, как это происходит на примере простейшего камертона в виде «вилки». В момент удара камертон деформируется, в нём возникают упругие напряжения, заставляющие его ножки совершать колебания с собственной частотой около положения равновесия (рисунок 1). Частота этих колебаний зависит от размеров и формы камертона, а также от упругих свойств материала, из которого этот камертон сделан. Ножки камертона увлекают за собой частицы окружающей его среды, создавая попеременно области с повышенной и пониженной концентрацией частиц (рисунок 2), порождая тем самым продольную волну. Для получения звуковой волны необходимо, чтобы молекулы, вылетая из области с большей плотностью и давлением, передавали импульс другим молекулам, находящимся в области разряжения, то есть, чтобы окружающая камертон среда была упругой. Рассмотрим распространение импульсов растяжения и сжатия в упругой среде (рисунок 3). На достаточно больших расстояниях от источника эту волну можно считать плоской. В этом случае распространение звука в среде описывается волновым уравнением вида:

(1)

где x – пространственная переменная вдоль направления распространения волны, t – время, s – смещения отдельных элементов среды, с – скорость распространения звука.

Таким образом, камертон преобразует кинетическую энергию молоточка в механическую энергию собственных колебаний камертона, которые возбуждают периодические колебания окружающей среды - звуковые волны.

x, x+dx – границы элемента упругой среды, s(x,t), s(x+dx,t) – смещения границ x, x+dx при распространении продольной волны.

 

Камертон часто применяется при настройке музыкальных инструментов и в хоровом пении. Существуют также менее традиционные применения, связанные с анализом частоты колебаний камертона. Например, для измерения предельного уровня наполнения: колебания ветвей камертона возникают благодаря пьезокерамическим элементам. В случае если материал покрывает ветви камертона, амплитуда гасится и вибрация изменяется. Встроенная электроника обрабатывает амплитуду и преобразует ее в команду выключения.

Для реализации U - образный металлический стержень закрепить у основания на другом тонком стержне так, чтобы площадь соприкосновения U - образного стерженя и подставки была минимальной.

Звук, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальным органом чувств человека, а также животных.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше, до 1 ГГц — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь, и музыкальные звуки, из которых состоит музыка.

Понятие о звуке.

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде. Впервые измерена Уильямом Дерхамом.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах.

Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:

 

где β — адиабатическая сжимаемость среды; ρ — плотность.

Для газов эта формула выглядит так:

 

где γ — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; k — постоянная Больцмана; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура в кельвинах; t — температура в градусах Цельсия; m — молекулярная масса; M — молярная масса. По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.

Для твёрдых тел скорость звука можно вычислить как:

 

где K — модуль всестороннего сжатия; E — модуль Юнга; ν — коэффициент Пуассона.

В воздухе при нормальных условиях скорость звука составляет 331,46 м/с (1193 км/ч).

В воде скорость звука составляет 1485 м/с.

В твёрдых телах скорость звука составляет 2000—6500 м/с.